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2.1 Technisches Problem der Erfindung / technische Aufgabe und Zielsetzung :
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In der Trink/Brauchwasseversorgung von hygienisch bedenklichen Wasserentnahmevorrichtungen, insbesondere Gerätschaften in der Medizin / Dentalmedizin, werden immer höhere Anforderungen in Bezug auf Hygiene an die Betreiber solcher Einrichtungen gestellt.
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In erster Linie muss sichergestellt sein, das eine Rückverkeimung des Trinkwassernetzes mit keimbelastetem Wasser durch eine entsprechend angeschlossene Apparatur oder Entnahmestelle zwingend unterbunden wird.
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Zusätzliche Einrichtungen zur Entkeimung des Brauchwassers innerhalb einer angeschlossenen Apparatur sind in Bezug auf System-und Patientenhygiene (besonders in der Medizin) mehr als empfehlenswert.
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Zur Zeit schaffen folgende technische Lösungen Abhilfe (Stand der Technik):
- a. Bottle-System :
- Eine druckfeste Flasche / Wasserbehälter wird manuell mit Wasser, evtl. unter zusätzlicher Beimengung entkeimender Mittel befüllt und am jeweiligen Gerät angeflanscht / angeschraubt. Über einen, in der Regel pneumatischen Handschalter wird dann ein Druckluftpolster innerhalb der Bottle erzeugt. Ein im unteren Bereich der Bottle befindliches Saugrohr fördert nun das Brauchwasser mittels voreingestelltem Luftdruck zur letztendlichen Entnahmestelle bis der Wasservorrat in der Bottle verbraucht ist. Die Bottle muss nun erneut befüllt werden
Bei diesem System sind die angeschlossenen Endverbraucher komplett vom Trinkwassernetz getrennt.
- Nachteile : je nach Wasserbedarf muss das System mehr-oder-weniger oft von Hand befüllt werden und wirkt sich entsprechend störend bei längeren Behandlungen oder Arbeiten aus, bei denen eine Unterbrechung des Wasserflusses unerwünscht und störend ist. Somit ist dieses einfache System nur bei sehr geringem Wasserbedarf unter erhöhtem manuellen Befüll-und Hygieneaufwand, oder bei Nichtvorhandensein eines Festwasseranschlusses sinnvoll und mit lästigen Nebentätigkeiten behaftet.
Hygiene beim Befüllen und regelmäßige Reinigung der Bottle / Behälter sind zu beachten. (Medizin etc.)
- b. Automatische Systeme:
- Trennung vom Trinkwassernetz erfolgt durch eine freie-Fall-Strecke des einlaufenden Wassers mit festgelegter Distanz unter Atmosphäre in einen offenen (be/entlüfteten) Behälter bis zu einem gewissen Füllstand . Das eingespeiste Leitungswasser wird drucklos. Nach Erreichen des vorgegebenen Pegelstandes zum Erhalt der freie-Fall-Distanz wird das Wasser mit hohem technischen Aufwand (Pumpensysteme, Ausgleichs und Druckerhaltungssysteme etc.) wieder auf den erforderlichen Betriebsdruck gebracht und je nach Bedarf und Auslegung des Systems chemisch (z.b. H2O2 / Chlor) weiter aufbereitet. Diese Systeme arbeiten automatisch und entsprechend der angeforderten Wassermenge. Schlummerzustand mit steter Erhaltung des Betriebsdrucks wenn keine Brauchwasseranforderung gestellt wird. Meist trotz Verwendung von Pumpen pneumatisch unterstützt.
- Nachteile: Aufwendige Technische Lösungen aus einer Unzahl von kostenintensiven Bauteilen und Baugruppen, hohe Produktionskosten, großen Dimensionen bei relativ geringer Förderleistung und erhöhte Anfälligkeit für Betriebsausfälle. Durch schlechten Zugang bei Service,Wartungsarbeiten und Reinigung des Systems hohe Betriebskosten.
Risiken im Bezug auf hygienische Anforderungen entstehen durch den Wassereinlauf in ein offenes System und konstruktiv unzugänglicher wasserführender Komponenten. Keime aus der Umgebungsluft haben die Möglichkeit in den Einlaufbehälter einzudringen und das komplette System mit Peripherie dauerhaft zu belasten.
Bei nicht sichergestellter Versorgung von zugesetzten entkeimenden Lösungen (chemisch) vermehren sich eindringende oder im Brauchwasser enthaltene Keime bei guten Bedingungen schnell. Da zugegebene Entkeimungsmittel im Brauchwasser relativ schnell zerfallen und somit rasch im System wirkungslos werden, bieten diese Systeme während längerer Standzeiten ein erhöhtes Hygienerisiko durch Verkeimung insbesondere nach längeren Standzeiten des Systems. Resistenzbildung von Keimen gegen verwendete chemische Substanzen zur Entkeimung sind in Ausnahmefällen aufgereteten und machen eine aufwendige Sarnierung des gesamten Wasserführenden Systems notwendig.
- Im eingebauten Zustand (z.b. Dentaleinheiten) sind in der Regel Entlüftungen für Abfluss oder Absaugvorrichtungen etc. nicht weit und ohne räumliche Systemtrennung innerhalb des Chassis eines Gerätes verbaut und erhöhen das Verkeimungsrisiko aus besonders belasteter Umgebungsluft erheblich. Bei längeren Standzeiten können gängige Systeme nicht ohne weiteres ganz entleert werden und die Keime im Wasser haben entsprechend Zeit prächtigst zu gedeihen. Als Lösung bieten die Hersteller hier einen Intensivmodus an, bei dem eine erhöhte Dosis an chemischer Lösung zugesetzt wird um das System zu spülen/entkeimen.
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Eine Technisch extrem einfache, pneumatisch unterstützte Apparatur aus wenigen Bauteilen, platzsparend und kostengünstig in der Produktion, Wartungs-und Servicefreundlich, einfach in der Handhabung, mit niedrigen Betriebskosten und hoher Förderleistung soll hier im hermetisch geschlossenen System auch den hygienischen Anforderungen in erwitertem Maße gerecht werden.
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2.2 Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe :
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a: Die Apparatur zur Erzeugung einer freien-Fall-Strecke mit Anbindung von entkeimenden Systemkomponenten besteht aus nur wenigen Komponenten :1 Druckbehälter mit Anschlussmöglichkeit/en für Druckeingang (Wasser/Druckluft/Entkeimung) im oberen Bereich (mind.. 1, max. n) und Anschlussmöglichkeit/en Druckausgang (Brauchwasserentnahme) im unteren Bereich oder oben angeordnet mit Steigrohr zum Behälterboden versehen(mind. 1 max. n).
Der Druckbehälter ist idealerweise zu Wartungszwecken und aus hygienischer Hinsicht ganz oder teilweise klar, zerlegbar, den Anforderungen entsprechend druckstabil und besitzt eine Verträglichkeit gegenüber bestimmten chemischen Zusätzen, falls solche eingebracht werden. 2 Schwimmerventile oder 1Doppelventil (rein mechanisch) bzw. Pegelstandsensor/en am oder im Behälter (Ausgang min. 1, max. n Schaltkontakte) aller Art (z.b. Schwimmer, Leitwertsensoren, Laser, Ultraschallmessung etc, (min.1 max. n) in Verbindung mit (min 2. max. n) Magnetventilen. Optional zur erweiterten Steuerung des Systems und Ankopplung entsprechender Komponenten zur Hygieneaufbereitung oder anderer Zusatzfunktionen kann das System mit entsprechender Steuerelektronik bedarfsgerecht ausgerüstet werden.
Zur Erläuterung der grundsätzlichen physikalischen und technischen Funktionsweise wird eine einfach elektrisch gesteuerte Variante zur Verhinderung von Rückfluss und Rückverkeimung ins Trinkwassernetz mittels freier-Fall-Strecke zugrunde gelegt. (Zeichnung 1) Die während des fortlaufenden Betriebs stattfindende mögliche Aufbereitung des Wassers und weiterer Betriebseigenschaften bleibt zur einfacheren Darstellung noch unberücksichtigt und wird anschließend erörtert. (2.2b)
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Die zur Erläuterung gewählte Apparatur besteht aus:
- 1. Stück Druckbehälter (1) mit
Anschlüssen Eingang Wasser/Druckluft/optionaler Injektor (2),
Anschluss Ausgang für Brauchwasser (3)
- 1. Stück Schwimmerschalter/Pegelsensor (4) mit elektrisch wirkendem Wechselkontakt (Pegelstand oben /unten),
- 2 Stück 2-Wege Elektromagnetventile: 1x Wassereinlauf (5), 1xLuftsteuerung (6) Druckschlauch / Rohre, Anschlussteile
Vergleiche Zeichnung 1 (Anhang)
| Eigespeiste Medien : | Druckluft / medizinische Druckluft. | (mindestens +0,1-n bar relativ) |
| | Wasser aus Leitungsnetz. ( | mindestens +0,11-n bar relativ) |
| | Betriebsspannung für Steuerung/Magnetventile z.b. 24V- |
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Funktionsprinzip: Ein Ventilgesteuerter Druckbehälter (1), wird von einem Pegelsensor mit Wechselkontakt (4) füllstandsüberwacht und legt im geschlossenen System den jeweils gewünschten minimalen (x) oder den maximalen Pegelstand (y) fest. Der Pegelsensor (4) meldet minimalen Pegelstand (x) wenn kein Wasser vorhanden oder der gewünschte Minimalpegelstand (x) im Druckbehälter unterschritten ist. Das Magnetventil (5) am Wassereingangskreis wird mit einer Betriebsspannung versorgt, öffnet den Wasserzulauf und befüllt entsprechend dem voreingestellten Eingangsdruck den Druckbehälter (1) im freien-Fall mit Wasser bis der obere Pegelstand (y) erreicht ist. Der Wechselkontakt des Sensors (4) schaltet nun das Magnetventil (5) am Wassereinlauf des Behälters (1) ab. Die freie Fall-Strecke (z) des einlaufenden Wassers wird unterbrochen und damit sicher die erforderliche Mindeststrecke (z) zur Erzeugung der Freie-Fall Distanz gewährleistet und das Risiko einer Rückverkeimung eliminiert.
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Damit am Brauchwasserausgang (3) keine größeren Druckschwankungen entstehen, wird über den Wechselkontakt des Sensors (4) bei Füllstand max ((y)zeitgleich mit Abschaltung des Wassermagnetventils (5) das Magnetventil für die Druckluftversorgung (6) geöffnet. Es entsteht durch die zugeführte Druckluft/med. Druckluft ein Luftpolster mit dem entsprechend dem voreingestellten Eingangsdruck (P-Air < P-Liquid) der nötige Betriebsdruck erhalten wird.
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Das Brauchwasser ist dem voreingestelltem Lufteingangsdruck am Ausgang für Brauchwasser (3) nach Bedarf stetig abrufbar. Wenn der Pegelstand min. (x) wieder erreicht ist kippt der Schaltzustand des Wechselkontaktes am Sensor (4) und schaltet mit Ventil (6) die Luft wieder ab. Die Druckluftunterstützung wird unterbrochen und das Magnetventil (5) öffnet und befüllt erneut im freien Fall mit Wasser.. Der Betriebsdruck bleibt aufgrund des Wasserdrucks beim Befüllen am Wassereingang und der restlich bestehenden Druckluftblase im geschlossenen System während des Prozesses annähernd konstant. Die Fördermenge an Wasser ist bei Bedarf dauerhaft hoch weil die Apparatur mit nur 2 wechselnden Arbeitstakten innerhalb eigener Atmosphäre des Druckbehälters (4) sehr schnell reagiert und arbeitet. Bei erneutem Pegelstand max. an
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Sensor (4) erfolgt dann wieder der Wechsel mit Abschaltung Wasser und Beaufschlagung der Luftblase usw..........usw..........
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Wenn keine Anforderung an das System gestellt wird, fällt es unter Erhaltung des Druckluftpolsters in den Schlummerzustand, bis wieder eine Entnahme von Brauchwasser stattfindet. Das System läuft auch nach längeren Ruhezeiten (Komplettabschaltung der Strom, Wasser und Druckluftversorgung), oder auch nach vollständiger Entlleerung des Systems grundsätzlich selbsttätig an, sobald alle erforderlichen Versorgungsmedien wieder bereitstehen und Brauchwasser benötigt wird. Hierbei spielt es keine Rolle welchen Stand der Pegelsensor (4) hat, weil immer einer der beiden Schalt/Befüllzustände (Luftpolster oder Wasser) aktiv wird und das System sicher in kürzester Zeit anläuft und den voreingestellten Betriebsüberdruck am Verbraucher bereitstellt.
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Funktionsdiagramm zu Zeichnung und Zeichenerklärung (Anhang)
| S1 (4) | MV1 (5) | MV2 (6) | SP1 (7) | UV (8) |
| off | on | off | on | on |
| on | off | on | off | on |
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b: Während der wechselnden Zustände von Wasserbefüllung und der Erzeugung eines Druckluftkissens innerhalb des gekapselten Druckbehälters (4) kann zusätzlich ein von der Apparatur angesteuerter Injektor (Pumpe, ext. Pneum, Versorgung etc.) entsprechend den hygienischen Anforderungen an das Brauchwasser, durch Hinzufügen/injizieren von dosierten Zugaben an keimtötenden Substanzen (z.b.Chemisch, Stand der Technik) in den Behältersumpf. Um Belastungen der nachfolgenden Peripherien (Materialschäden in wasserführenden Teilen) und das Wachstum sowie die Resistenzbildung von Keimen zu minimieren, soll das System bei Bedarf ein alternatives bzw. zusätzlich-alternatives biologisches Hygienekonzept mit folgenden neuen Spezifikationen für solche Apparaturen bieten:
- - Systementleerung.
- - Zugabe von alternativen Substanzen.
- - Keimtötende, mechanische Filtersysteme im Behältersumpf.
- - UV-Licht als Entkeimung aller im Behälter befindlichen Medien und Oberflächen..
- - Durch hermetisch geschlossenes Prinzip kein Eindringen von Keimen.
längere Standzeiten. - - Vollständiges Entleeren des kompletten wasserführenden Systems (z.b. Dentales Behandlungsgerät) und/oder der Apparatur zur Verhinderung des Wachstums von Algen/Keimen aller Art im Feuchtmilleau . (länger abstehendes Wasser) Eine Umschaltung, z.b. Schalter an der Steuerung, ermöglicht es dem Betreiber durch dauhaftes Öffnen Magnetventils Luft und Schliessen des Einlaufmagnetventils Wasser sowie evtl. sonstiger zugeschalteter Peripherieanschlüsse das komplette System unter ein Druckpolster zu stellen und entsprechend vollständig zu entleeren, wenn alle wasserführenden Peripherien solange betätigt werden bis Druckluft austritt. Alternativ bzw. zusätzlich ist eine Entleerung durch eine am Wasserausgang der Apparatur angebrachte Ablaufmöglichkeit einrichtbar. Zum Öffnen bzw. Entleeren des Druckbehälters für Wartungs und Reinigungsarbeiten.
kürzere Standzeiten und Regelbetrieb. - - Dosierte Zugabe von nicht chemisch aktiven und biologisch verträglichen Substanzen mittels Dosiereinheit / Injektor als Alternative anstatt der Aufbereitung mit chemicher Lösung (Stand der Technik)
Filtereinsatz/Patrone/Kartusche im Behältersumpf (Wasservorrat im Druckbehälter) aus Kupfer, Silber oder Gold mit möglichst großer vom Brauchwasser durchströmter Oberfläche, Kontaktfläche (z.b Cu-Wolle / Cu-Platten oder Röhrenkonstruktionen etc) im vom Wasser umschlossenen Sumpf des Druckbehälters. Tötet und reduziert dort bei geflutetem Sumpf des Behälters unerwünschte Keime ab.
Regelbetrieb: - - UV-LED/LED's oder UV Lampe/n innerhalb, oder bei lichtdurchlässigem Material außerhalb des Druckbehälters angebracht, werden bei Betrieb mit entsprechender Betriebsspannung versorgt und eliminieren Keime im Wasser sowie im Luftpolster und an den inneren Oberflächen des Druckbehälters. Die Auswahl von Ausführung, Wellenlänge und Intensität der UV-Leuchtmittel hängt von der letztendlichen Zielsetzung wie Wasserentnahmemenge und Art/Anzahl der zu eliminierenden Keime (Algen, Viren, Bakterien etc.) der Durchflussmenge am Verbraucher sowie der evtl. gleichzeitig zusätzlich betriebenen entkeimenden Systemen ab.
Alle Betriebszustände: - - Der Druckbehälter der Apparatur ist ein vollständig geschlossenes System das ausschließlich mit Brauchwasser und medizinisch sauberer Druckluft beaufschlagt wird. Weil die freie-Fall-Strecke und bei Bedarf die Aufbereitung unter entsprechenden Druckverhältnissen innerhalb des geschlossenen Systems innerhalb eigener Atmosphäre stattfinden, können keinerlei Keime oder sonstige Verunreinigungen aus der Umgebungsluft in das Innere der Apparatur (Systemkreislauf) gelangen.
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Die Apparatur kann wahlweise mit ein oder mehreren der zuvor erläuterten Hygienespezifikationen ausgestattet sein.
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Die Apparatur kann mit 1-n. zusätzlichen Sensoren und entsprechender Elektronik/Datenverarbeitung die spezifischen Ansteuerungen zusätzlicher Funktionen oder auch der Kommunikation oder Fremdsteuerung mit Peripherien oder zusätzlicher Sicherheitseinrichtungen übernehmen.
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Die Apparatur kann zwei-oder mehrfach in Reihe geschaltet werden. (Mehrfache Freien-Fall-Strecke und/oder Entkeimung) Bei mehrstufigem Betrieb in Reihe arbeitet jedes Einzelsystem autark.
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Die Apparatur kann aufgrund Ihres einfachen Prinzips mit kompakter Bauform bei hoher Förderleistung von Rückverkeimungs/Rücklaufgesichertem und Bedarf weiter aufbereitetem Brauchwasser aufwarten. Eine größer dimensionierte Ausführung der Apparatur erhöht die Förderleistung. Die Förderleistung kann auch durch 2-n parallel betriebene Behälter (Vergrößerung des Volumens) oder parallel autark arbeitenden Apparaturen vervielfacht werden. Der Wasserausgang einer jeden Apparatur wird dann z.b bei anschließender Zusammenführung der einzelnen Wasserausgänge durch ein zusätzlich montiertes Rückschlagventil an jeder Apparatur gegen Rückfluss gesichert.
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Ein Mischbetrieb mit Reihen und Parallelschaltung ist ebenfalls möglich. (z.b. Doppelter Freier-Fall bei höherer Förderleistung)
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Ahnlich aufgebaute Apparaturen mit mindestens 2 in Abhängigkeit arbeitenden Behältern anstatt der vorhergehend erläuterten Wasseraufbereitung mit 1-Behalter-System konnten bei Versuchen ebenfalls z.b. eine hermetisch geschlossene einfache oder doppelte Freie-Fall-Strecke erzeugen und das Brauchwasser weiter aufbereiten.
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Der Konstruktions-, Platz-und Materialaufwand ist jedoch ungleich höher und die physikalischen Verhältnisse verschlechtern sich teilweise innerhalb des Systems und somit auch die Effizienz, bzw. Betriebssicherheit. Größere Bauform, höhere Material-und Produktionskosten, geringere Förderleistung, höherer Druckluft- und Energieverbrauch, Anlaufprobleme des Systems unter bestimmten Betriebszuständen wie Pause/Stillstand etc. sind die die Folge.
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2.3 Anwendungsgebiete
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Die Apparatur kann überall zur Anbindung an das Trinkwassernetz bei entsprechenden Hygieneanforderungen/Ansprüchen oder Verordnungen (Verkeimung/Rückverkeimung ins Trinkwassernetz)sinnvoll Anwendung finden. (Druckluftversorgung oder Drucklufterzeuger erforderlich)
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Medizintechnik / Dentalmedizin: hier sind entsprechende Systeme bereits oft Pflicht oder im Gerätealtbestand mit Bestandsschutz dringend empfohlen, da eine Übertragung von Keimen eines Patienten ins Trinkwassernetz oder in umgekehrter Richtung nicht auszuschließen ist. Medizinisch saubere Druckluftanbindung ist in der Regel Bau/Geräteseitig vorhanden. (z.b. Dentale Behandlungsgeräte und Einheiten)
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Die Apparatur kann bei extrem kompakter Bauform mit großer Förderleistung aufwarten und durch einfache Technik platzsparend,wartungsarm und Anwenderfreundlich einfach innerhalb von Geräten oder im Zusammenspiel mit technischen Medizinprodukten integriert werden. Bestehende verkeimungsanfällige, störungsanfällige oder umständliche Systeme (Bottle) können ersetzt oder nachgerüstet werden . Einbau oder Stand-allone Versionen mit flexiblen, auch alternativen Hygieneoptionen ermöglichen bedarfsgerechte Ausführungen für den entsprechenden Zweck.
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Anwendungen des Apparates bei entsprechend angepasster Bauform sind ebenso in der Industrie, (z.b. Lebensmittel, Chemie), Gastronomie (z.b. Küchen/Großküchen), in öffentlichen Bereichen (z.b. Krankenhäuser,Pflegeeinrichtungen Schwimmbäder usw.),oder sogar im privaten Haushalt zur Verhinderung einer Rückverkeimung des zuführenden Leitungsnetzes möglich.
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Bezugszeichenliste
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- (1)
- Druckbehälter/Volumen, Klarsichtausführung / 2-teilig
- (2)
- Eingangsstutzen zum Befüllen des Druckbehälters mit Druckluft/Wasser/Lösung
- (3)
- Entnahmestutzen zur Brauchwasserentnahme
- (4)
- Füllstandsensor mit Wechselkontakt für Minima und Maxima Wasserstand/Luftblase
- (5)
- Magnetventil zur Steuerung des Wassereinlaufs
- (6)
- Magnetventil zur Steuerung der Druckluftblase
- (7)
- Mechanismus zur Einleitung von entkeimenden/aufbereitenden Zugaben
- (8)
- UV-Leuchtmittel zur Entkeimung des gesamten Behälterinneren
- (9)
- Keim/Bakterienhemmender Filter/Filtereinsatz
- (A)
- Einspeisung Wasserversorgungsnetz
- (B)
- Einspeisung Druckluftversorgung
- (C)
- Einspeisung von aufbereitender Lösung
- (D)
- Brauchwasservorrat im Behältersumpf (min/max gesteuert)
- (E)
- Druckluftblase im obern Behälterteil (min/max gesteuert)
- (x)
- Minimaler Pegelstand Wasser / maximaler Pegel Druckluftblase
- (y)
- Maximaler Pegelstand Wasser / minimaler Pegel Druckluft blase
- (z)
- Mindestdistanz der freier-Fall-Strecke
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Funktionsdiagramm zu Zeichnung 1:
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| S1 (4) |
MV1 (5) |
MV2 (6) |
SP1 (7) |
UV (8) |
| off |
on |
off |
on |
on |
| on |
off |
on |
off |
on |